Che cos'è la diffusione della luce?

Definizione di diffusione della luce

La diffusione della luce è il comportamento che la luce assume quando interagisce con un mezzo contenente particelle o con un confine tra mezzi diversi che presenta difetti o strutture. Si differenzia dagli effetti della rifrazione, in cui la luce subisce una variazione dell'indice di rifrazione passando da un mezzo all'altro, e della riflessione, in cui la luce viene riflessa nuovamente nello stesso mezzo; entrambi questi fenomeni sono regolati dalla legge di Snell.

Fattori quali la natura, la consistenza o le strutture specifiche di una superficie, nonché la presenza di particelle gassose, liquide o solide attraverso cui la luce si propaga, possono causare la diffusione della luce. Anche la natura stessa della luce — le sue lunghezze d'onda e i suoi stati di polarizzazione — può causare la diffusione della luce. Ciò comporta solitamente una luce diffusa e può influire anche sulla dispersione del colore.

Cosa provoca la diffusione della luce?

La diffusione superficiale si verifica quando le discontinuità superficiali e le irregolarità su scala micro e nanometrica modificano il comportamento della luce. A seconda delle loro dimensioni, le protuberanze, i fori e altre caratteristiche geometriche presenti su una superficie possono causare la diffusione in modo geometrico, poiché la luce viene riflessa, rifratta, polarizzata o diffratta se le strutture sono più piccole di 10 volte la lunghezza d’onda della luce che interagisce con esse. Anche rivestimenti quali vernici, rivestimenti e altri depositi come i contaminanti possono modificare il comportamento della luce a causa della loro natura, anche se molto sottili o sparsi in modo rado.

La diffusione volumetrica si verifica quando la luce attraversa un materiale contenente particelle che la diffondono a causa delle loro proprietà riflettenti o rifrattive. Tali particelle possono essere attive o passive, assorbendo o riemettendo la luce a livelli energetici inferiori secondo una determinata distribuzione angolare all'interno del materiale, e variano per dimensioni e concentrazione in tutto il mezzo.

Perché la diffusione della luce rappresenta un problema nella progettazione ottica?

Sebbene la diffusione della luce possa essere uno strumento utile per molte applicazioni di illuminazione, può anche rappresentare un problema per le applicazioni di imaging. Le superfici possono diffondere la luce in modo tale da creare percorsi aggiuntivi attraverso i quali la luce può rientrare nel sistema ottico, generando artefatti visivi noti come immagini fantasma sull'immagine finale. Anche l'alloggiamento meccanico può causare una diffusione indesiderata all'interno del sistema. Le applicazioni di ray tracing per l'illuminazione, che tracciano gli eventi di diffusione, possono tenere conto di questa diffusione indesiderata.

Qual è un esempio concreto di progetto ottico basato sulla riduzione al minimo della diffusione della luce?

I sistemi di telecamere di ogni tipo si affidano alla progettazione ottica non solo per produrre un'immagine nitida e di alta qualità, ma anche per garantire l'assenza di immagini fantasma. Più l'obiettivo è complesso, più è importante tenere conto della diffusione della luce ed eliminarla.

Dopo aver creato un sistema ottico con un software di progettazione ottica, il progettista può analizzare il progetto in uno strumento di progettazione dell'illuminazione per individuare i possibili percorsi che raggiungono l'immagine e quantificare la probabilità che questi influenzino la qualità dell'immagine. Per eliminare i percorsi secondari senza compromettere le prestazioni complessive del sistema, potrebbe essere necessario apportare modifiche al progetto principale; tuttavia, è anche possibile ottenere miglioramenti significativi e rendere più nitida l'immagine finale con lievi modifiche alle strutture dei deflettori già integrate.

Cosa serve per analizzare e ridurre al minimo la diffusione della luce?

Quando si utilizzano strutture come i deflettori per ridurre al minimo le immagini fantasma, eseguire il ray tracing del sistema per analizzare la luce diffusa può aiutare a eliminare gli artefatti visivi presenti nel progetto. A tal fine, è possibile utilizzare un software di progettazione dell'illuminazione che fornisca un'analisi del percorso dei raggi, in grado di tracciare ogni possibile percorso che la luce può seguire in un sistema di imaging, tenendo conto di ogni struttura presente nel progetto, compreso l'alloggiamento meccanico del sistema. Il software è in grado di esaminare il livello di potenza delle immagini fantasma generate, individuarne la provenienza e consentire ai progettisti di eliminare le superfici che causano il problema o creare strutture che svolgano la stessa funzione, sia manualmente che utilizzando tecniche di ottimizzazione.

Come si misura la diffusione della luce?

È possibile misurare la diffusione della luce utilizzando uno scatterometro, che effettua misurazioni bidimensionali o tridimensionali da una o più sorgenti che irradiano su una superficie o all’interno di un mezzo e registra la distribuzione angolare della luce (intensità) che viene riflessa e/o trasmessa. È possibile registrare i risultati in molti modi, ma un metodo comune consiste nel registrare la luce riflessa come Funzione di Distribuzione Riflessa Bidirezionale (BRDF) e la luce trasmessa come Funzione di Distribuzione Trasmessa Bidirezionale (BTDF). Insieme, queste due funzioni formano la Funzione di Distribuzione della Diffusione Bidirezionale (BSDF).

A seconda del metodo di misurazione, è possibile utilizzare questa funzione per definire la diffusione della luce di una superficie, di un mezzo o di entrambi. A seconda della natura del campione misurato, è anche possibile distinguere quale dei due sia il principale responsabile dell'effetto di diffusione. Una volta completate le misurazioni, è possibile effettuare un adattamento matematico al profilo di diffusione del materiale o della superficie, che potrà essere utilizzato nelle simulazioni.

Come si simula la diffusione della luce?

I prodotti software di simulazione Keysight LightTools e LucidShape offrono funzionalità per l'utilizzo di file di misurazione della diffusione della luce, nonché per la modellazione degli effetti di diffusione. A seconda della natura degli elementi che determinano l'effetto di diffusione, è possibile modellare la distribuzione della luce per la diffusione superficiale utilizzando modelli matematici quali Harvey-Shack, ABg, gaussiano, lambertiano e modelli di distribuzione angolare interpolata. È possibile modellare le particelle di diffusione volumetrica utilizzando la teoria di Mie, i metodi di Henyey-Greenstein o Gegenbauer, nonché diversi altri modelli matematici. Anche i materiali a gradiente possono causare un effetto di diffusione apparente, anche se è il risultato di un indice di rifrazione che cambia progressivamente nel materiale, a seconda di dove il materiale cambia.

Grazie alle funzionalità di ottimizzazione e alle caratteristiche avanzate quali i percorsi dei raggi, il filtraggio del ricevitore e le funzionalità del moduloAdvanced , LightTools è in grado di simulare con precisione gli effetti di diffusione della luce per l'analisi della luce diffusa, ambito in cui lo studio della diffusione è fondamentale. In LucidShape è possibile utilizzare i dati relativi alla diffusione della luce per progettare sistemi di illuminazione automobilistica eleganti, garantendo al contempo precisione e funzionalità in linea con le normative più rigorose.